Feitenreconstructie 1959-2012

Waarom gaswinning kan leiden tot aardbevingen ‘Bodemdaling’ en ‘aardbevingen’ zijn weliswaar gangbare begrippen, maar achter deze fenomenen gaat een complexe en technische wereld schuil. Deze paragraaf beoogt op een begrijpelijke manier daarop nader in te gaan. In tekstkader 1.2 wordt daarom allereerst een aantal veelvoorkomende begrippen kort uitgelegd.

Tekstkader 1.2 Veelvoorkomende begrippen met betrekking tot bodemdaling en aardbevingen

Relatie gaswinning-bodemdaling

Gaswinning zorgt voor een dalende druk in gasvelden. Daardoor moet het reservoirgesteente – de poreuze zandsteenlaag met gas – een steeds groter deel van het gewicht van de bovenliggende grondlagen dragen. Dit leidt tot het ineendrukken van het reservoirgesteente. Dat heet ‘compactie’. Compactie leidt op den duur tot bodemdaling. In het debat over bodemdaling komt in dit verband ook de term ‘klink’ of ‘inklinking’ voor. ‘Klink’ is het samendrukken van de ondergrond, maar dan onder invloed van het eigen gewicht en niet door het gewicht van bovenliggende lagen. Hoe meer gaswinning, hoe groter de drukverlaging, hoe meer compactie en hoe groter de bodemdaling. Lange tijd gold bodemdaling als enige nadelige effect van gaswinning: de schade als gevolg van bodemdaling zou beperkt blijven en zou goed te voorspellen zijn.

Relatie gaswinning-aardbevingen

Doordat het gasreservoir door de gaswinning wordt samengedrukt (compactie), kunnen er spanningen ontstaan langs bestaande breuken in het gasreservoir. De breuk is niet altijd sterk genoeg om deze spanning te weerstaan. Dit kan plaatselijk leiden tot tegengestelde bewegingen langs de breuk. Zo’n plaatselijke beweging langs een breuk kan met een schok, oftewel een aardbeving, gepaard gaan. Doordat de bewegingen plotseling en ongelijkmatig plaatsvinden, is het onmogelijk om aardbevingen – waar, wanneer en hoe zwaar – te voorspellen.57

Schaal van Richter

De sterkte van een aardbeving wordt gemeten met behulp van verschillende seismometers. Deze meters staan aan het aardoppervlak of op 200 meter diepte in een boorgat. Het KNMI geeft de sterkte van de aardbeving weer als een getal op de magnitudeschaal van Richter. Deze schaal is logaritmisch: bij een aardbeving met een magnitude 3,0 laat het seismogram – de kaart van de trillingen in de aardkorst – een tien keer grotere uitslag zien dan bij een aardbeving van magnitude 2,0. De energie die bij een aardbeving vrijkomt, gaat per magnitude zelfs 31,6 keer omhoog. De aardbeving in Huizinge in 2012 was met een magnitude van 3,6 bijvoorbeeld ongeveer 250 keer sterker dan een aardbeving met magnitude 2,0 en 1.500 keer sterker dan een aardbeving met magnitude 1,5 en 8.000 keer sterker dan een aardbeving met magnitude 1,0.58

Maximale magnitude

De zwaarst mogelijke aardbeving die fysisch in een gebied mogelijk is, is de ‘maximale magnitude’. De maximale magnitude is een schatting met een foutmarge. Volgens de laatste schattingen van internationale experts uit juni 2022 ligt de maximaal mogelijke magnitude in het Groningenveld tussen 4,0 en 6,5, met een magnitude van 4,6 als meest waarschijnlijke maximale magnitude. De kans dat een aardbeving met deze magnitude plaatsvindt, is zeer klein, maar niet uit te sluiten.59 De maximale sterkte van aardbevingen bij olie- en gasvelden in het buitenland varieert tussen de 4,2 en 4,8.60

Hypocentrum

Het gebied in de ondergrond waar de aardbeving is ontstaan, is het ‘hypocentrum’, ook wel ‘haard’ genoemd.

Epicentrum

Het epicentrum is de plaats aan het aardoppervlak loodrecht boven het gebied waar de aardbeving is ontstaan.61 Hier is de aardbeving het beste voelbaar.

Intensiteit van een beving

Intensiteit is het effect van een aardbeving op mens, dier en bebouwing. Hoe hoger de intensiteit, hoe hoger de kans dat mensen de aardbeving kunnen voelen. De intensiteit is afhankelijk van drie factoren: de diepte van de aardbeving, de richting van de trillingen die door de aardbeving naar het aardoppervlak gaan en de samenstelling van de ondergrond. De intensiteit kan dus per plek en aardbeving verschillen en vertoont een grillig patroon.62

Ondiepe aardbeving

De aardbevingen in Groningen ontstaan in of nabij het gasreservoir, op ongeveer 3 kilometer diepte. Dit wijkt af van natuurlijke aardbevingen in andere delen van Nederland en het buitenland, die meestal op 10 tot 100 kilometer diepte plaatsvinden. Doordat de afstand tussen de bron van de aardbeving (hypocentrum) en het oppervlak (het epicentrum) in Groningen relatief gering is, hebben dit soort aardbevingen een hogere intensiteit dan natuurlijke aardbevingen met dezelfde magnitude.

58 NAM (juli 2017).

59 SodM (20 september 2022).

60 KNMI (29 januari 2013).

61 KNMI (n.d. H1b).

62 KNMI.

Feitenreconstructie 1959-2012

Opslingering

Ook de samenstelling van de ondergrond is bepalend voor het effect van de aardbeving. In Groningen heeft de zoutlaag boven het gasreservoir een dempende werking. De lagen klei en veen daarboven versterken het aardbevingssignaal juist, omdat het relatief slappe grond is. Wetenschappers noemen dit effect ‘opslingering’. Bij zanderige bodems is dit effect veel minder.63

Grondversnelling

De mate waarin een aardbeving schade veroorzaakt aan gebouwen, wordt vooral bepaald door de mate waarin de grond tijdens een aardbeving schudt. Deze zogeheten ‘grondversnellingen’ zijn afhankelijk van de magnitude, de diepte van een aardbeving en de lokale bodemgesteldheid (zie opslingering). Hoe dichter de aardbeving tegen het oppervlak aan zit, hoe heviger de grond trilt. Een aardbeving met een magnitude 3,0 op 100 kilometer diepte (zoals bij een natuurlijke aardbeving) heeft dus een veel lagere grondversnelling dan dezelfde beving op 3 kilometer diepte (zoals bij gaswinning).

Piekgrondversnelling

De hoogste waarde van de grondversnelling tijdens een aardbeving heet de piekgrondversnelling (van het Engelse peak ground acceleration, of PGA).64 De piekgrondversnelling wordt vaak uitgedrukt in meter per seconde kwadraat (m/s2) of als fractie van zwaartekrachtversnelling g (g komt overeen met 9,81 m/s2). Hoe hoger de PGA-waarde, hoe groter de kans op schade.

Piekgrondsnelheid

Een andere indicator die inzicht geeft in de trillingen van de bodem tijdens een aardbeving is de piekgrondsnelheid of maximale grondsnelheid (van het Engelse peak ground velocity, of PGV). Deze indicator geeft de hoogste grondsnelheid van het aardoppervlak tijdens een aardbeving weer. De piekgrondsnelheid wordt vaak weergegeven in millimeter of centimeter per seconde.

Schaal van Mercalli of Europese Macroseismische Schaal

De intensiteit van een aardbeving wordt vaak weergegeven met een Romeins cijfer op de schaal van Mercalli of de Europese Macroseismische Schaal (EMS). Deze schalen bestaan uit twaalf Romeinse cijfers. Een aardbeving in categorie II voelen sommige mensen thuis, en bij categorie III kunnen voorwerpen schudden, zoals een lamp die heen en weer zwaait. Een beving in de vierde categorie is door veel meer mensen thuis te voelen en kan beangstigend zijn, omdat ramen, deuren en serviesgoed rammelen. Vanaf categorie V worden mensen bang: gebouwen schudden, deuren en ramen zwaaien open of slaan dicht. De beving maakt veel mensen wakker en sommige mensen rennen naar buiten. Bij categorie VI rennen de meeste mensen naar buiten en ontstaan haarscheuren in de muren. Bij categorie VII vallen stukken schoorsteen om en storten niet-dragende muren in. Een aardbeving met intensiteit VIII richt zware schade aan, zoals grote scheuren in muren. Oudere gebouwen kunnen zelfs volledig instorten.65

Damage State

De intensiteit van de aardbeving is bepalend voor de mogelijke schade aan gebouwen. De Europese Macroseismische Schaal maakt onderscheid tussen zes gradaties, oftewel de ‘damage state’ (DS). Bij DS0 is geen schade. Bij DS1 gaat het om ‘verwaarloosbare tot lichte schade’. DS2 is ‘matige schade’, oftewel ‘lichte constructieve schade’. Bij DS3 is sprake van ‘aanzienlijk to zware schade’, oftewel ‘matige constructieve schade’. Bij gradatie 4 (DS4) gaat het om ‘zeer zware schade’, oftewel ‘zware constructieve schade’. Indien gebouwen bezwijken, is sprake van DS5, oftewel ‘zeer zware constructieve schade’. Tabel 1.2 hierna toont de EMS-schaal en de bijbehorende schadeniveaus.

Bodembeweging

‘Bodembeweging’ is een overkoepelend begrip en verwijst naar bodemdaling én aardbevingen.

Bodemtrilling of aardtrilling

‘Bodemtrilling’ of ‘aardtrilling’ is een alternatieve term voor een aardbeving. Het woord bodemtrilling is vooral in de jaren ’90 door de NAM gebruikt voor aardbevingen met een relatief kleine magnitude. De term ‘aardtrilling’ is ‘zeer ongelukkig’, aldus het KNMI in 2004, dat de voorkeur geeft aan ‘geïnduceerde aardbevingen’ of ‘geïnduceerde aardschokken’.66

Aardbevingen ontstaan door plotselinge bewegingen van aardlagen langs breuken in de diepe ondergrond.67 Dat werkt als volgt. Door de gaswinning daalt de druk in het gasreservoir, de poreuze zandsteenlaag op ongeveer drie kilometer diepte. Dit leidt tot compactie: het gasreservoir wordt samengedrukt door de bovenliggende lagen. Deze compactie kan leiden tot tegengestelde bewegingen langs een breuk. Daardoor komt er spanning op de breuk te staan. De breuk is niet altijd sterk genoeg om deze spanning te weerstaan. Hierdoor ontstaat een verschuiving, vaak schoksgewijs: een aardbeving (zie figuur 1.4). Omdat de aardbeving het gevolg is van menselijk handelen, de gaswinning, spreken wetenschappers van ‘geïnduceerde aardbevingen’.

65 GFZ (n.d. H1a).

66 Technisch Platform Aardbevingen. Verslag 14e vergadering Technisch Platform Aardbevingen op 28 januari 2004.

67 SodM (n.d. H1a).